Ein Forschungsteam um den Physiker Marius Millot am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) im US-Bundesstaat Kalifornien hat das Schmelzverhalten von Kohlenstoff unter bisher unerreichten physikalischen Bedingungen untersucht. Die Ergebnisse dieser langjährigen Arbeit sind nun im Wissenschaftsmagazin Nature Physics veröffentlicht worden.
Omega Laser Facility bestätigt Schmelzpunkt von Diamant bei 7.000 Grad
Für die komplexe Untersuchung nutzten die Wissenschaftler:innen die Omega Laser Facility an der Universität Rochester, um die äußere Schicht einer winzigen Diamantprobe durch energiereichen Laserbeschuss zu verdampfen. Die daraus resultierende Schockwelle komprimierte den verbleibenden Diamanten auf einen Druck von einem Terapascal, was in etwa dem Dreifachen des Drucks im Erdkern entspricht.
Gleichzeitig stieg die Temperatur des untersuchten Materials für den Bruchteil einer Nanosekunde auf rund 7.000 Grad Celsius an, was die Hitze der gut 5.500 Grad Celsius heißen Sonnenoberfläche sogar noch deutlich übertrifft. Die während dieses engen Zeitfensters durchgeführten Messungen mittels Röntgenbeugung belegen, dass der jetzt gemessene Schmelzpunkt exakt mit den Vorhersagen moderner quantenmechanischer Computermodelle übereinstimmt.
Damit löst das wissenschaftliche Team eine zwei Jahrzehnte alte Diskrepanz in der Hochdruckphysik endgültig auf. Bisherige Labormessungen unter der Leitung des Physikers Jon Eggert wichen um etwa 20 Prozent oder rund 1.000 Grad Celsius von den theoretischen Werten ab, was die Physik lange Zeit vor ein grundlegendes Problem stellte.
Fester Diamant schwimmt auf flüssigem Kohlenstoff wie Eis auf Wasser
Die neuen, präzisen Messdaten offenbaren zudem, dass fester Diamant eine geringere physikalische Dichte aufweist als der flüssige, metallische Kohlenstoff. Der Diamant schwimmt folglich in dem flüssigen Kohlenstoff auf, was ein sehr ähnliches physikalisches Prinzip darstellt wie das von gewöhnlichen Eiswürfeln in einem Glas Wasser.
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„Wir konnten winzige Diamantproben auf Temperaturen erhitzen, die höher sind als die der Sonnenoberfläche, und auf Drücke komprimieren, die höher sind als im Zentrum von Neptun und Uranus – und dabei immer noch die atomare Struktur, Temperatur, Dichte und optische Reflexion messen“, wie Science Daily den Forscher Marius Millot aus einer Pressemitteilung des Lawrence Livermore National Laboratory zitiert. Dieser empirische Nachweis stützt die planetologische Annahme, dass es im heißen Inneren von Eisriesen wie Neptun oder Uranus tatsächlich Diamanten regnet.
Da die durchgeführten Experimente künstlich Drücke erzeugen, die selbst die Bedingungen im Zentrum der Eisriesen übertreffen, erhalten Planetenforscher:innen nun eine solidere Datenbasis für ihre Computermodelle. Diese komplexen Modelle sind erforderlich, um die physikalische Entstehung sowie die thermische Entwicklung von äußeren Planeten unseres Sonnensystems realitätsnah abzubilden.
Diamantenregen erklärt die überschüssige Wärme von Neptun und Uranus
In den tiefen atmosphärischen Schichten dieser Gasplaneten herrschen dauerhaft Bedingungen, unter denen elementarer Kohlenstoff zu Diamant kristallisiert und anschließend in Richtung des Planetenkerns absinkt. Die durch diesen beständigen Diamantenregen entstehende Reibungswärme liefert der Wissenschaft eine schlüssige Erklärung für die überschüssige thermische Energie, die der Planet Neptun stetig in den Weltraum abstrahlt.
Die veröffentlichte Studie schließt gleichzeitig sicher aus, dass der Kohlenstoff vor dem eigentlichen Schmelzen in eine andere, sogenannte BC8-Kristallstruktur übergeht. Das untersuchte Material behält seine ursprüngliche Diamantstruktur vielmehr bis zum Erreichen des flüssigen Aggregatzustands vollständig bei.
Zuvor hatten theoretische Experimente an der Z-Maschine der Sandia National Laboratories im US-Bundesstaat New Mexico darauf hingedeutet, dass eine solche strukturelle Zwischenphase durchaus existieren könnte. Die neuen Analysen belegen jedoch, dass die rasche Schockkompression dem Material schlichtweg keine Zeit für eine entsprechende strukturelle Umwandlung lässt.
National Ignition Facility nutzt Diamantkapseln für die Kernfusion
Neben den astrophysikalischen Erkenntnissen bietet die Untersuchung handfeste Ansätze für die mögliche Energiegewinnung der Zukunft mittels fortschrittlicher Kernfusion. An der National Ignition Facility des LLNL kommen winzige Kapseln aus Diamant zum Einsatz, um den eigentlichen Fusionsbrennstoff sicher zu umschließen und zu komprimieren.
Um den Brennstoff für die Kernreaktion zu zünden, wird die Kapsel durch gezielten Laserbeschuss geschmolzen und nach innen verdichtet. Die aktuellen Testergebnisse deuten stark darauf hin, dass bereits ein deutlich schwächerer initialer Laserschock ausreicht, um die Diamantkapsel gleichmäßig und effizient in eine Flüssigkeit zu verwandeln.
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Ein solcher speziell angepasster Schock macht den Brennstoff komprimierbarer, was den Energieertrag der Fusionsreaktion nach ersten Berechnungen des Teams theoretisch verdreifachen könnte. Allerdings müssen dafür auch alle anderen dynamischen Parameter des Fusionsprozesses absolut stabil gehalten werden, was technisch gesehen weiterhin eine enorme Hürde darstellt.
Das Forschungsteam plant nun, das physikalische Verhalten der genutzten Diamantkapseln in den späteren Phasen der Fusionsimplosion detaillierter zu analysieren. Dabei soll primär untersucht werden, wie stabil die Kristallstruktur bleibt, wenn das Material mehreren aufeinanderfolgenden und intensiven Schockwellen ausgesetzt wird.
Dieser Artikel wurde ursprünglich am 30.08.2026 veröffentlicht, interessiert jedoch immer noch sehr viele unserer Leser:innen. Deshalb haben wir ihn aktualisiert und hier nochmals zur Verfügung gestellt.
